遙感在管線地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價中的應(yīng)用研究

陳冰凌，羅東海

（中煤航測遙感局地質(zhì)勘查院水工遙感所，西安 710199）

遙感在管線地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價中的應(yīng)用研究

陳冰凌，羅東海

（中煤航測遙感局地質(zhì)勘查院水工遙感所，西安 710199）

公路、鐵路及長輸管線地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、評價，采用傳統(tǒng)人工調(diào)查手段，具有極大的局限性。本文建立了以多源、不同空間分辨率的遙感影像為基礎(chǔ)的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價體系。根據(jù)低、中、高分辨率遙感圖像以及航攝特點(diǎn)，對線路走廊帶區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)孕災(zāi)背景調(diào)查、單體地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律與成災(zāi)模式進(jìn)行了應(yīng)用研究。結(jié)果表明，以多源遙感技術(shù)手段為主，地面調(diào)查為輔的線路走廊帶地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價體系，可以極大地提高地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評估質(zhì)量和效率，為地質(zhì)災(zāi)害危險性評價與預(yù)警及災(zāi)后評估、治理，提供可靠、有效的工作手段。

長輸管線；走廊帶；遙感地質(zhì)；多源數(shù)據(jù)；地質(zhì)災(zāi)害

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的運(yùn)行，公路、鐵路及長輸管線（油、氣管線等）的建設(shè)取得了長足進(jìn)展，此類線路建設(shè)項目，在前期的工程可行性研究、設(shè)計方案比選受各類環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害因素影響，方案變更頻繁，工期有限和缺乏數(shù)據(jù)，造成不能快速高效的完成選線設(shè)計和工程地質(zhì)勘查工作。公路、鐵路及長輸管線項目建成后的運(yùn)營階段，由于線路長，跨越區(qū)度大，地質(zhì)條件復(fù)雜，造成線路走廊帶內(nèi)經(jīng)常發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，對線路運(yùn)輸與沿線人民群眾生命財產(chǎn)構(gòu)成了極大威脅（鐘威等，2015）。

傳統(tǒng)的線路地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查以地面調(diào)查為主，采用數(shù)字化地形地質(zhì)或工程地質(zhì)底圖作為工作手圖，通過走訪當(dāng)?shù)厝罕?、現(xiàn)場調(diào)查等方式來實現(xiàn)。人工調(diào)查范圍窄、外業(yè)勞動強(qiáng)度大、工作進(jìn)度緩慢且質(zhì)量難以保證。同時，由于視野局限，尤其在地形、地貌、地質(zhì)、水文、氣候等復(fù)雜地區(qū)，受工作手段限制，調(diào)查效率低下，調(diào)查質(zhì)量也難得到保障，甚至?xí)霈F(xiàn)遺漏重要地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的情況，嚴(yán)重威脅線路運(yùn)營安全。此外，在地形陡峻、交通困難區(qū)，仍使用傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查法，導(dǎo)致線路走廊帶內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害隱患調(diào)查不徹底，甚至可能威脅到地質(zhì)工作者人身安全（高山，2014）。

針對目前公路、鐵路及長輸管線走廊帶地質(zhì)災(zāi)害評價體系并不完善以及某些關(guān)鍵技術(shù)尚未取得有效突破的客觀情況，如何準(zhǔn)確實現(xiàn)現(xiàn)時性的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃研究、地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)模式與孕災(zāi)背景研究，以及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防與災(zāi)害治理等技術(shù)體系研究？

遙感技術(shù)特點(diǎn)及其相關(guān)的高新技術(shù)發(fā)展，使得地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查評價成為可能。當(dāng)前，隨著航空航天遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感技術(shù)逐漸向多源化發(fā)展，形成多傳感器、多平臺、多角度對地觀測。成像也朝著高分辨率、高光譜分辨率、高時相分辨率的方向發(fā)展，極大地提高了遙感的觀測尺度，對地物的分辨本領(lǐng)和識別的精細(xì)程度，可以快速提供多種分辨率對地觀測海量數(shù)據(jù)，充分挖掘和利用遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害解譯、調(diào)查、評價中的應(yīng)用潛力。隨著遙感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測、預(yù)警、評估、防治中的逐漸應(yīng)用，將遙感技術(shù)引入道路與長輸管線建設(shè)，無疑具有強(qiáng)烈的現(xiàn)實意義（黃玉華等,2014）。

1 遙感在線路走廊帶災(zāi)害調(diào)查中的優(yōu)勢

利用遙感技術(shù)，在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中可快速進(jìn)行大范圍、立體性的災(zāi)害監(jiān)測，獲取的信息量大、效率高，適應(yīng)性強(qiáng)，可以做到動態(tài)監(jiān)測，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）獲取數(shù)據(jù)速度快、周期短

采用遙感技術(shù)，能及時獲取沿線所經(jīng)區(qū)域最新數(shù)據(jù)，并根據(jù)新舊數(shù)據(jù)變化進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，可迅速獲取研究區(qū)存檔和編程數(shù)據(jù)。

（2）獲取的數(shù)據(jù)范圍大

線路走廊帶，雖寬度較窄，但長度極長，涉及數(shù)據(jù)范圍往往較大。衛(wèi)星的軌道高度一般均在幾百公里以上，衛(wèi)星遙感可獲取更大范圍的地面信息。

（3）獲取數(shù)據(jù)不受自然條件影響

傳輸管線往往需通過不同地貌區(qū)，必然會遇到自然條件極為惡劣、人類難以到達(dá)的區(qū)域，如沼澤、高山峻嶺、沙漠等，采用遙感技術(shù)可方便及時獲取各種寶貴資料。

（4）獲取的數(shù)據(jù)信息量大

根據(jù)不同地物的光譜特征差異，遙感技術(shù)可選用不同波段和遙感儀器來獲取地物光譜信息。

（5）可獲取不同分辨率的數(shù)據(jù)

根據(jù)線路走廊帶地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查需求，可獲取低、中、高及超高分辨率影像，從4個層次方面滿足不同層次需要。在宏觀層次，可選擇低分辨率衛(wèi)星影像；在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、建筑密集的城區(qū)、發(fā)展變化較大的鄉(xiāng)鎮(zhèn)及部分水域復(fù)雜地段，可選用中等分辨率衛(wèi)星影像；在地質(zhì)災(zāi)害強(qiáng)烈發(fā)育地區(qū)，可采用高分辨率衛(wèi)星影像；在核心區(qū)域或者重要工點(diǎn)，可采用無人機(jī)遙感技術(shù)，對工點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)解譯（鮑巨才等，2011）。

2 線路走廊帶孕災(zāi)背景調(diào)查與研究

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的影響因素，可以分為內(nèi)在因素和外在因素。內(nèi)在因素實際就是地質(zhì)背景條件，主要有地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、坡體結(jié)構(gòu)等因素。區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景決定該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的主要災(zāi)種、災(zāi)害發(fā)生的可能性與空間分布規(guī)律以及災(zāi)害的規(guī)模和強(qiáng)度。外在因素即災(zāi)害發(fā)生的誘發(fā)因素，也稱觸發(fā)條件。當(dāng)?shù)刭|(zhì)環(huán)境條件具備時，災(zāi)害發(fā)生與否、何時發(fā)生便取決于其誘發(fā)因素。災(zāi)害發(fā)生的觸發(fā)條件有自然條件與人為條件兩類。自然條件主要有地震、降雨、植被變化等；人為條件包括爆破振動、邊坡開挖、坡頂堆載、植被破壞、水庫蓄水、地下水開采等，孕災(zāi)背景調(diào)查與研究思路如圖（圖1）。

圖1 孕災(zāi)背景調(diào)查與研究Fig.1 Background Investigation and Research of disaster

3 線路走廊帶單體地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與遙感識別

公路、鐵路及長輸管線線路長，跨越區(qū)度大，地質(zhì)條件復(fù)雜，存在的地質(zhì)災(zāi)害類型多樣，涉及滑坡、崩塌、泥石流、采空塌陷區(qū)、風(fēng)蝕砂埋及侵蝕坍岸等，其中，滑坡、崩塌及泥石流等為沿線主要地質(zhì)災(zāi)害。

（1）滑坡

滑坡災(zāi)害是走廊帶發(fā)育最普遍的災(zāi)種，具有明顯的地貌特征。在一定的地形地貌、降水、人類工程活動等條件誘發(fā)下，易發(fā)生滑坡。滑坡識別的主要目的是自動或人機(jī)交互解譯可能發(fā)生滑坡區(qū)域，在遙感圖像上其形狀有簸箕形、舌形、弧形和不規(guī)則形等。規(guī)模大小與地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。將滑坡目視解譯的先驗知識進(jìn)行定量描述和表達(dá)，通過多源數(shù)據(jù)融合識別滑坡，從而降低滑坡的誤判性，提高滑坡識別率，通過遙感影像地形、地質(zhì)信息的空間分析，進(jìn)行滑坡識別。

（2）崩塌

崩塌一般發(fā)生在巖性堅硬、節(jié)理發(fā)育的地區(qū)，陡坡周圍堆積成巖堆或倒石堆，在遙感圖像上崩塌的陡崖色調(diào)淺，老的陡崖色調(diào)深。在陡崖的一方有淺色調(diào)的錐狀地形，有粗糙感或呈花斑狀錐形。崩塌信息提取主要依靠對已知崩塌的遙感影像進(jìn)行光譜和紋理特征分析，獲取崩塌識別先驗知識，然后通過高分辨率影像提取基巖裸露區(qū)域(或高反射率區(qū)域)，崩塌信息提取的關(guān)鍵是裸露區(qū)和弱植被圖斑的提取與篩選，以及地形高差產(chǎn)生陰影的去除。

（3）泥石流

泥石流是含有固體物質(zhì)(泥、砂、石)的山洪,往往都是突然爆發(fā),運(yùn)動速度和能量均很大,因此破壞性很明顯。它在具備泥石流形成條件時，可以緩慢向下流動，也可以在數(shù)秒內(nèi)傾瀉而下。遙感影像上泥石流溝一般山坡陡峻，巖石破碎強(qiáng)烈，色調(diào)深淺不一，沖溝內(nèi)有大量松散固體呈淺色，無植被生長。

（4）線路路塹邊坡溜坍

線路路塹邊坡坡面的松散土體在雨中滲透、軟化作用下，強(qiáng)度降低，加之自身重力作用下，極易發(fā)生邊坡溜坍。另一方面，由于土體中一般都含有孤石，往往邊坡溜坍就會誘發(fā)落石，特別在高且陡的坡面，溜坍落石對管線的危害特別巨大。

（5）線路路堤邊坡溜坍

線路通過山區(qū)時，高路堤及半堤半塹路基分布較廣，往往由于新施工時填筑質(zhì)量差，且路基回填土透水性能較差，高路堤邊坡因長時間降水后土體含水飽和軟化導(dǎo)致強(qiáng)度下降，極易發(fā)生邊坡溜坍。

（6）斷裂構(gòu)造

斷裂構(gòu)造是影響線路工程基礎(chǔ)穩(wěn)定的主要因素，活動斷裂沿線常常伴隨著堰塞湖、沖積堆、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。斷裂構(gòu)造的解譯標(biāo)志通過三維遙感圖像和山體陰影圖的半透明疊加，突出斷裂構(gòu)造信息。同時參考地質(zhì)圖信息，以及經(jīng)過一定的圖像處理方法來銳化線性邊緣等生成最終圖像，有利于斷裂構(gòu)造信息的提取。

4 地質(zhì)災(zāi)害危險性評價

對地質(zhì)災(zāi)害危險性進(jìn)行分析、評價時，首先采用專家調(diào)查法和層次分析法分析，辨識出影響其危險性的各個因素，建立地質(zhì)災(zāi)害危險性評價指標(biāo)體系，對各個因素進(jìn)行比較分析后，將各個因素對地質(zhì)災(zāi)害危險性影響的重要程度進(jìn)行量化，確定各因素的相對權(quán)重，然后將各因素對地質(zhì)災(zāi)害危險性的影響程度分級，并給予一定的分值，確定評分標(biāo)準(zhǔn)，最后根據(jù)各因素權(quán)重值和各因素實際狀況對應(yīng)的分值，綜合計算被評估對象的易發(fā)性，按一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行危險性評價。

針對公路、鐵路、長輸管線走廊帶的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀調(diào)查與區(qū)劃，是指在走廊帶內(nèi)，基于地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯與調(diào)查，在查明災(zāi)害分布規(guī)模、形成原因、發(fā)育特點(diǎn)、發(fā)育趨勢、發(fā)育危險性及影響因素基礎(chǔ)上，開展地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃與評價，并建立地質(zhì)災(zāi)害綜合數(shù)據(jù)庫（圖2）。

圖2 線路走廊帶地質(zhì)災(zāi)害評價因素Fig.2 Geological Hazard Evaluation Factors Line Corridor

地質(zhì)災(zāi)害危險性可分為歷史災(zāi)害危險性和潛在災(zāi)害危險性，重在地質(zhì)災(zāi)害的危害程度。歷史災(zāi)害危險性是指已經(jīng)發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害的活動程度, 主要體現(xiàn)在地質(zhì)災(zāi)害的密度、規(guī)模和頻次上。潛在災(zāi)害危險性是指具備災(zāi)害形成條件的充分程度，形成地質(zhì)災(zāi)害的條件越充分，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性就越大（楊銀濤，2013）。

評價重點(diǎn)是直接、間接威脅人民生命財產(chǎn)安全的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)、地質(zhì)隱患點(diǎn)；堅持定性分析與定量評價相結(jié)合的原則。地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價的依據(jù)主要是滑坡、崩塌的穩(wěn)定性、泥石流的易發(fā)性及其危害程度。綜合分析地質(zhì)災(zāi)害演變趨勢，并結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害的危害程度預(yù)測、評價地質(zhì)災(zāi)害的危險性（表1）。

控制和影響地質(zhì)災(zāi)害形成的條件很多，常用的地質(zhì)災(zāi)害危險性評價指標(biāo)包含了地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地震、災(zāi)害密度和降雨等諸多指標(biāo)，將影響地質(zhì)災(zāi)害危險性因素量化疊加。

地質(zhì)災(zāi)害危險區(qū)，是指明顯可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害且將可能造成較多人員傷亡和嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的地區(qū)，其區(qū)域劃分應(yīng)基于地質(zhì)災(zāi)害演化趨勢，采用造成損失的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害形成條件與觸發(fā)因素、演變趨勢與人類工程活動，從而圈定不同區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的危險程度。因此，可在地質(zhì)災(zāi)害形成條件分析的基礎(chǔ)上，采用目標(biāo)分析方法建立線路走廊帶地質(zhì)災(zāi)害危險性評估指標(biāo)體系（圖3）。

表1 地質(zhì)災(zāi)害危險性分級標(biāo)準(zhǔn)及特征表Tab.1 Geological hazard classif i cation criteria and list of features

圖3 地質(zhì)災(zāi)害危險性評估指標(biāo)體系Fig.3 Evaluation Index System danger of geological disasters

5 成災(zāi)模式

通過對線路走廊帶內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)背景分析、單體地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查以及地質(zhì)災(zāi)害危險性評價分區(qū)等，對各類地質(zhì)災(zāi)害的成災(zāi)模式進(jìn)行分析，為地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測、防治提供對策。

崩塌對線路管道危害的主要表現(xiàn)為破壞交通運(yùn)輸安全，砸壞鐵路、長輸管道。崩塌體的規(guī)模、強(qiáng)度與管道的相對高度、運(yùn)動方式以及管道上覆土層的厚度等，均會對管道風(fēng)險的高低產(chǎn)生影響。當(dāng)線路位于崩塌體正下方時，受垂直沖擊作用，線路、人民生命財產(chǎn)等受破壞的風(fēng)險最高。

滑坡對線路、管道的危害主要表現(xiàn)為：線路、管道位于滑坡下部時，沖毀、埋沒線路、管道；線路、管道位于滑坡中部時，因承受運(yùn)動物質(zhì)的巨大拖拽力而發(fā)生彎曲變形、拉裂甚至整體斷裂；線路、管道位于滑坡上部時，造成公路、鐵路及長輸管線懸空或被拉斷。

泥石流對線路的危害，根據(jù)線路通過泥石流區(qū)域的不同，一般分為兩種：第一，線路在流通區(qū)通過，泥石流對線路的危害表現(xiàn)為下切侵蝕，造成線路直接破壞、長輸管道暴露，使管道遭受泥石流的沖擊，泥石流對岸坡的侵蝕可造成坍岸，沖毀線路，使管道暴露或臨空；第二，線路在堆積區(qū)通過，這種通過方式對線路道的主要危害是泥石流淤埋沒線路，影響線路的正常運(yùn)營，甚至掩埋線路、中斷交通。

邊坡溜坍主要表現(xiàn)形式為：第一，經(jīng)過長期陰雨和暴雨侵襲后，黏土質(zhì)邊坡表層土的含水量增大，降低了邊坡的抗剪強(qiáng)度，使邊坡失去穩(wěn)定性，進(jìn)而發(fā)生溜坍；第二，施工過程中采用黏土將邊坡表層進(jìn)行覆蓋，導(dǎo)致地表水和地下水同時對表層的黏土進(jìn)行雙重影響，產(chǎn)生溜坍。邊坡溜坍一方面破壞植被，影響環(huán)境；另一方面造成交通中斷，影響線路正常運(yùn)行，帶來重大經(jīng)濟(jì)損失，特別是對鐵路運(yùn)輸，為了規(guī)避行車事故，必須要進(jìn)行提前預(yù)防。

6 結(jié)論

以上研究表明，基于現(xiàn)代遙感對地觀測技術(shù)和大比例尺解譯技術(shù)研究，提出以多源遙感技術(shù)手段為主，地面調(diào)查為輔的線路走廊帶地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價方法，突破了傳統(tǒng)公路、鐵路與長輸管線等帶狀工程地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與危險性評價方法，可以滿足線路走廊帶地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、監(jiān)測與災(zāi)害治理的需求，減少外業(yè)工作量，提高災(zāi)害調(diào)查、評價以及災(zāi)后治理等效率和質(zhì)量；綜合考慮地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性、線路易損性，選取簡單、易于操作的指標(biāo)體系法進(jìn)行危險性評價。從合理與實用的角度出發(fā)，建立了線路典型地質(zhì)災(zāi)害危險性評價指標(biāo)體系，使得地質(zhì)災(zāi)害危險性等級評定更加合理有效，為線路走廊帶典型地質(zhì)災(zāi)害的安全防護(hù)，提供了理論依據(jù)。隨著研究的不斷深入，遙感技術(shù)在線路走廊帶地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價中的作用將更加突出。

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Study on the Remote Sensing Applied to Investigate and Evaluate the Geological Hazards along Pipelines

CHEN Bingling, LUO Donghai

(Xi'an Meihang Remote Sensing Information Co. Ltd., Xian 710199)

For the investigation and evaluation on the geological hazards along roads, railways and longdistance pipelines, it is great limited to adopt the traditional investigation methods. This paper has established the investigation and evaluation system on the geological hazards according to remote sensing images of multisource and different spatial resolution. That is to say, according to the low, medium and high resolution remote sensing images and aerial characteristics, along the line corridors, we have done the regional geological survey and potential geological hazard background research, monomer geological disaster investigation, distribution laws and forming model of geological hazards in this paper. Results show that this investigation system can greatly improve the quality and efficiency for hazard investigation, and it plays important roles in the geological disaster risk assessment, early warning, and post-disaster evaluation and administration.

Long-distance pipelines, Corridors, Remote sensing geology, Multi-source data, Geological disasters

P 694；TP79

A

1007-1903（2017）01-0106-05

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.01.019

基于空間信息技術(shù)的智能管道運(yùn)行管理模型研究。

陳冰凌(1973- )，男，高工，從事水工環(huán)遙感地質(zhì)調(diào)查、資源勘查、地理信息系統(tǒng)應(yīng)用等方面的工作。E-mail：chbl-2008@163.com